劉鑫貴， 吳 毅， 孫 維， 汪開忠

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 馬鞍山 243003）

世界范圍內(nèi)高速動(dòng)車組車軸所用材料均為優(yōu)質(zhì)中碳 鋼 和 高 強(qiáng) 度 合 金 鋼［1－2］，其 型 號(hào) 主 要 有30NiCrMoV12、30CrNi3、EA4T（25CrMo4）、XC30、S38C等。我國高速動(dòng)車組車軸基本上來自進(jìn)口，國內(nèi)尚屬空白。隨著我國高速鐵路列車速度進(jìn)一步提高，直接關(guān)系到鐵路運(yùn)行安全的鐵路列車關(guān)鍵部件之一的車軸性能引起了人們更多的關(guān)注。由于車軸的力學(xué)性能主要通過鋼的化學(xué)成分及后續(xù)熱處理工藝保證，因此正確選用鋼材和制訂熱處理工藝非常重要。近年來，我國也開展了這一領(lǐng)域的研究工作［3－4］。

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線是調(diào)整鋼的化學(xué)成分，制定熱處理工藝的重要理論依據(jù)［5］。淬透性是鋼的一種重要特性，指鋼淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。鋼的淬透性是正確選用鋼材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。本文采用熱膨脹法和末端淬火方式研究了200～250 km／h自主化替代實(shí)驗(yàn)動(dòng)車組車軸用Cr－Ni－Mo系合金鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和末端淬透性曲線，并采用末端淬透性曲線數(shù)學(xué)模型對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析［6－10］，為進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)動(dòng)車組車軸合金鋼成分及熱處理工藝奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)鋼采用“電爐＋（LF＋RH）爐外精煉＋連鑄＋軋制”工藝生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1。在車軸1／2半徑位置取熱膨脹試樣，試樣尺寸見圖1（a）。采用日本進(jìn)口的Formaster－Ⅱ型熱膨脹儀用熱膨脹法測定連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）。試樣首先加熱至900℃，升溫速度為10℃／s；然后保溫10min，待全部奧氏體化后再連續(xù)冷卻，冷卻速度為0.05～10℃／s；然后在焊接熱電偶處將試樣鋸開，測試該部位的維氏硬度值并在光學(xué)顯微鏡下觀察分析該位置的金相組織。將試樣冷卻時(shí)膨脹－溫度原始數(shù)據(jù)繪制出膨脹－溫度曲線，再用切線法確定相變開始點(diǎn)溫度及結(jié)束點(diǎn)溫度，以溫度為縱坐標(biāo)，時(shí)間對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，將相同性質(zhì)的相變開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)分別連成曲線，并檢測不同冷卻速度下的最終組織和維氏硬度值及馬氏體轉(zhuǎn)變的起始溫度（Ms）、馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度（Mf）、珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變開始溫度（Ac1）、鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度（Ac3）。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分

在車軸邊部取兩個(gè)端淬末端淬透性試樣毛坯（30mm圓棒），經(jīng)正火處理（加熱到930℃保溫60 min，在空氣中冷卻）。熱處理后的試樣精加工成圖1（b）所示試樣。末端淬透性實(shí)驗(yàn)在EQM－2000－2型端淬實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程依據(jù)文獻(xiàn)［11］進(jìn)行，采用淬火處理工藝：（930±10）℃×1h；淬火水溫：（20±5）℃。

圖1 試樣加工圖(單位:mm)

在淬火后的端淬試樣上磨制出2個(gè)深度為0.4～0.5mm互相平行的平面，并平行于軸線方向，然后在這2個(gè)平面上，從距淬火端面1.5mm開始測量第一點(diǎn)洛氏硬度值，第二點(diǎn)為距淬火端面3mm處，以后每個(gè)測點(diǎn)間隔2mm，直至距淬火端面50mm處。硬度測量在HP－250型洛氏硬度計(jì)上按文獻(xiàn)［12］進(jìn)行，載荷為1 500N，然后根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪出實(shí)驗(yàn)鋼的端淬曲線。

在端淬后的試樣上，選取不同冷卻速度的部位切割出長10mm的小圓柱試樣，制成金相試樣，進(jìn)行顯微組織形貌觀察并對(duì)典型組織拍照。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 實(shí)驗(yàn)鋼的CCT曲線

測定的實(shí)驗(yàn)鋼CCT曲線見圖2，相變點(diǎn)見表2?？梢姡瑢?shí)驗(yàn)鋼的Ac3為815℃，Ac1為760℃，Ms和Mf分別為356℃和215℃。對(duì)不同冷卻速度CCT試樣的組織觀察見圖3，硬度測量見圖4。由此可見，當(dāng)冷卻速度達(dá)35℃／s時(shí)，可獲得全馬氏體組織；當(dāng)冷卻速度低于約3.5℃／s時(shí)，試樣中無馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生；當(dāng)冷卻速度低于約1.5℃／s時(shí)，試樣中即有先共析鐵素體和珠光體析出；當(dāng)冷卻速度低于約0.15℃／s時(shí)，試樣組織為鐵素體＋珠光體，即不再發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。

表2 實(shí)驗(yàn)鋼的相變點(diǎn)測定結(jié)果 ℃

圖3 不同冷卻速度下實(shí)驗(yàn)鋼CCT試樣的金相微觀組織

圖4 實(shí)驗(yàn)鋼的硬度隨冷卻速度的變化

2.2 末端淬透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

末端淬透性硬度分布見圖5，由圖5可見，在末端淬火時(shí)，距淬火端面距離d不同試樣冷卻速度是明顯不同的，在距淬火端表面約10mm以內(nèi)，硬度變化較??；此后隨著距淬火端面距離的增加，硬度明顯單調(diào)降低；在距淬火端面距離40mm以后，硬度變化趨于平緩。

圖5 端淬試樣硬度分布

在端淬不同位置觀察試樣的金相微觀組織見圖6。由圖6可見：（1）距淬火端面3mm處組織為馬氏體＋少量上貝氏體，其對(duì)應(yīng)HRC為49；（2）距淬火端面13、25mm處組織為馬氏體＋貝氏體，其對(duì)應(yīng)HRC分別為43、35；（3）距淬火端面35mm處組織為貝氏體，其對(duì)應(yīng) HRC為31；（4）距淬火端面45、60mm 處組織為貝氏體＋鐵素體＋珠光體，其對(duì)應(yīng)HRC分別為31、29。因此，在距淬火端面10～40mm之間正是由于馬氏體量急劇降低導(dǎo)致硬度下降明顯，而在距淬火端面10mm以內(nèi)，貝氏體量相對(duì)較少，組織以馬氏體為主，導(dǎo)致硬度下降不明顯；而在距淬火端面40 mm以后，組織中雖然有一定量的鐵素體和珠光體組織，但整體以貝氏體為主，導(dǎo)致硬度變化不明顯。

圖6 端淬試樣不同部位的金相微觀組織形貌

2.3 端淬曲線的數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)［13］提供了一種末端淬透性模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：y為端淬硬度；x為端淬距離；A1為端淬曲線最高硬度；A2為端淬曲線最低硬度；x0為淬透性系數(shù)；ρ是參數(shù)。

本研究工作在此模型的基礎(chǔ)上，采用非線性擬合程序?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次擬合，得出200～250km／h實(shí)驗(yàn)動(dòng)車組車軸鋼端淬曲線數(shù)學(xué)模型，有關(guān)擬合參數(shù)的匯總見表3。根據(jù)圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的端淬曲線及擬合曲線見圖7，模擬結(jié)果（R2值）顯示實(shí)驗(yàn)值與通過數(shù)學(xué)模型擬合的曲線吻合良好。

表3 實(shí)驗(yàn)鋼有關(guān)擬合參數(shù)

圖7 實(shí)驗(yàn)鋼端淬曲線及其擬合曲線

3 結(jié)論

（1）測試了一種用于200～250km／h動(dòng)車組自主化替代實(shí)驗(yàn)的Cr－Ni－Mo合金系的動(dòng)車組車軸合金鋼CCT曲線，實(shí)驗(yàn)鋼的Ac3為815℃，Ac1為760℃，Ms和Mf分別為356℃和215℃。

（2）材料的CCT曲線結(jié)果表明：當(dāng)冷卻速度達(dá)35℃／s時(shí)，可獲得全馬氏體組織；當(dāng)冷卻速度低于約3.5℃／s時(shí)，試樣中無馬氏體轉(zhuǎn)變發(fā)生；當(dāng)冷卻速度低于約1.5℃／s時(shí)，試樣中即有先共析鐵素體和珠光體析出；當(dāng) 冷卻速度低于0.15℃／s時(shí)，試樣組織為鐵素體＋珠光體，即不再發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。

（3）材料的淬透性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)鋼端淬樣在近表面約10mm以內(nèi)，硬度變化較??；此后隨著距淬火端面距離的增加，硬度單調(diào)降低明顯；在距淬火端面距離40mm以后，硬度變化趨于平緩。

（4）在已有數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立了實(shí)驗(yàn)車軸鋼的端淬曲線數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)值與通過數(shù)學(xué)模型擬合的曲線吻合良好。

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